固定化酶稳定的皮克林乳液的组装及其在手性催化中的应用

Enzymatic catalysis is one of the most important routes to produce chiral drugs or intermediates. However, the large scale productivity by the low aqueous-soluble substrates is limited, due to both the strong mass transfer limitations of reactants and inactivation of enzymes at the interface in the aqueous-organic biphasic mixtures. In this project, we are planning to achieve localization of the "complexes of epoxide hydrolases and nano-materials" at the interface of Pickering emulsions during the chiral resolution of styrene oxide. By this way, the facile transport and the greater local concentration of substrates at the interface will greatly accelerate the reaction rate. Moreover, the interaction between the solid and the proteins will improve the stability of enzymes; The relationships between the parameters and the catalytic performance, together with spectroscopic characterizations will be investigated and discussed in detail, which are helpful for us to improve the catalytic performance of the "complexes of epoxide hydrolases and nano-materials". This project not only can push forward the utilizations of enzymes in industrial applications, but also has important scientific significance for creating interdisciplinary research.

酶催化是实现手性药物或药物中间体绿色化生产的重要途径之一。然而，对大多数酶催化体系，底物在油水两相的扩散限制以及酶在两相界面的快速失活是限制其规模化生产的瓶颈；基于申请人在酶修饰和乳液组装方面的研究基础，本项目拟采用构建"纳米材料/酶复合催化剂"稳定的皮克林乳液的方法来解决上述问题。此策略兼具固定化酶和乳液反应的双重优势。以环氧水解酶作为研究对象，苯基环氧乙烷的手性拆分作为模型反应，拟开展以下研究：1)通过纳米材料对酶的多尺度相互作用，保持或增强酶的结构刚性，提高酶在界面的稳定性。2)通过调变皮克林乳液组装过程中的关键因素，消除底物传质阻力，提高酶催化反应效率。3)结合光谱表征，理解各种因素变化与酶催化反应性能的对应关系，为设计合成性能优越的"纳米材料/酶复合催化剂"提供理论指导和技术支持。本项目对实现酶在手性化合物生产中的规模化利用，促进化学、生物和材料科学等学科的交叉融合具有重要意义。

酶催化是实现手性药物或药物中间体绿色化生产的重要途径之一。然而，对大多数酶催化体系，底物在两相的扩散限制以及酶在两相界面的快速失活是限制其规模化生产的瓶颈；本项目提出通过设计合成双亲性“纳米粒子/酶复合催化剂，并尝试将其组装在油/水界面，提高其在两相催化体系中的催化反应性能。项目组设计合成了一系列固定化酶，将脂肪酶、环氧水解酶、信号分子降解酶等酶组装到多种纳米材料（磁性纳米粒子、有机无机杂化的介孔硅、介孔碳）上，分别以手性醇/酯的拆分反应以及环氧化合物的拆分反应作为模型反应，重点考察了载体的结构、孔道大小和表面性质对固定化酶催化反应性能的影响，从而更好的理解载体与酶的相互作用、传质作用等因素对酶作用机制的影响规律。然后，将双亲性固定化酶（将脂肪酶负载到疏水性纳米粒子表面）及模拟酶(金属有机骨架材料)在油水两相进行组装，重点考察了材料的结构、表面性质、固体粒子的浓度、油相的极性、油/水体积比等影响因素对乳液种类、液滴大小、形态、稳定性的影响。研究发现，通过将催化剂组装到纳米反应器的界面或水滴内，可以在一定程度上提高催化剂在两相体系的催化反应活性。上述研究成果为解决目前生产中存在的两相传质问题提供了新的思路和方法。由于大多数酶的价格昂贵，稳定性差，存在实验重复性不好的问题。采用无机-有机杂化材料作为替代催化剂或模拟酶催化剂可能是解决上述问题的途径之一。因此，在本项目的资助下，课题组还尝试开展了设计合成能够稳定在油水界面的贵金属纳米粒子@MOFs复合材料的前期研究工作。已经设计合成了多种核-壳结构的磁性金属有机骨架材料，并考察了其催化活性和稳定性。这部分研究为后续开发“乳液体系中串联反应的双/多功能催化剂的开发”的奠定了前期基础。